Para que os computadores quânticos superem suas contrapartes clássicas em velocidade e capacidade, seus qubits – que são circuitos supercondutores que podem existir em uma combinação infinita de estados binários – precisam estar no mesmo comprimento de onda. Conseguir isso, no entanto, veio ao custo do tamanho. Enquanto os transistores usados ​​em computadores clássicos foram reduzidos a escalas nanométricas, os qubits supercondutores hoje em dia ainda são medidos em milímetros – um milímetro é um milhão de nanômetros.
Combine qubits em chips de circuito cada vez maiores, e você acaba com, relativamente falando, uma grande pegada física, o que significa que os computadores quânticos ocupam muito espaço físico. Estes ainda não são dispositivos que podemos carregar em nossas mochilas ou usar em nossos pulsos.

Para reduzir os qubits enquanto mantém seu desempenho, o campo precisa de uma nova maneira de construir os capacitores que armazenam a energia que "alimenta" os qubits. Em colaboração com a Raytheon BBN Technologies, o laboratório do professor Wang Fong-Jen James Hone na Columbia Engineering demonstrou recentemente um capacitor qubit supercondutor construído com materiais 2D que é uma fração dos tamanhos anteriores.

Para construir chips qubit anteriormente, os engenheiros tiveram que usar capacitores planares, que colocam as placas carregadas necessárias lado a lado. Empilhar essas placas economizaria espaço, mas os metais usados ​​em capacitores paralelos convencionais interferem no armazenamento de informações do qubit. No trabalho atual, publicado em 18 de novembro na Nano Letters , Ph.D. de Hone. os alunos Abhinandan Antony e Anjaly Rajendra colocaram uma camada isolante de nitreto de boro entre duas placas carregadas de dieseleneto de nióbio supercondutor. Essas camadas têm apenas um átomo de espessura e são mantidas juntas pelas forças de van der Waals, a interação fraca entre os elétrons. A equipe então combinou seus capacitores com circuitos de alumínio para criar um chip contendo dois qubits com uma área de 109 micrômetros quadrados e apenas 35 nanômetros de espessura – isso é 1.000 vezes menor que os chips produzidos sob abordagens convencionais.

Quando eles resfriaram seu chip qubit até um pouco acima do zero absoluto, os qubits encontraram o mesmo comprimento de onda. A equipe também observou as principais características que mostraram que os dois qubits estavam se entrelaçando e agindo como uma única unidade, um fenômeno conhecido como coerência quântica; isso significaria que o estado quântico do qubit poderia ser manipulado e lido por meio de pulsos elétricos, disse Hone. O tempo de coerência foi curto - pouco mais de 1 microssegundo, comparado a cerca de 10 microssegundos para um capacitor coplanar convencionalmente construído, mas este é apenas um primeiro passo para explorar o uso de materiais 2D nessa área, disse ele.

Um trabalho separado publicado no arXiv em agosto de pesquisadores do MIT também aproveitou o disseleneto de nióbio e o nitreto de boro para construir capacitores de placas paralelas para qubits. Os dispositivos estudados pela equipe do MIT mostraram tempos de coerência ainda maiores – até 25 microssegundos – indicando que ainda há espaço para melhorar ainda mais o desempenho.
A partir daqui, Hone e sua equipe continuarão refinando suas técnicas de fabricação e testando outros tipos de materiais 2D para aumentar os tempos de coerência, que refletem por quanto tempo o qubit está armazenando informações. Novos projetos de dispositivos devem ser capazes de reduzir ainda mais as coisas, disse Hone, combinando os elementos em uma única pilha de van der Waals ou implantando materiais 2D para outras partes do circuito.

“Agora sabemos que os materiais 2D podem ser a chave para tornar os computadores quânticos possíveis”, disse Hone. "Ainda é muito cedo, mas descobertas como essas estimularão pesquisadores em todo o mundo a considerar novas aplicações de materiais 2D. Esperamos ver muito mais trabalho nessa direção daqui para frente". + Explorar mais

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